有色设备 2011(1)锻钢冷轧辊在铝行业的应用与发展张 青,葛浩彬(宝钢集团常州轧辊制造公司技术中心,江苏常州213019)[摘 要]根据冷轧行业的不断发展和需求变化要求,介绍了锻钢冷轧辊的材料、质量要求、制造技术等的变化进步历程,以及对轧铝工作辊的质量要求和制造技术的应用与发展。
[关键词]锻钢冷轧辊;轧铝;材质;毛坯质量;热处理[中图分类号]TG 333 17 [文献标识码]A [文章编号]1003-8884(2011)01-0042-03D evel op ment and Application of Forged Steel Col d R oll in A l u m i nu m IndustryZ HANG Q i n g ,GE H ao b i n(Techn i c al Cen ter ,Changzhou Baostee lRo l,l Changzhou 213019,Ch i n a)Abst ract :A ccor d i n g to the requ ire m ents for con ti n uously developm ent and variab le de m and in co l d roll i n g industry ,th i s paper intr oduces t h e changed progress process aboutm ateria,l qua lity requ ire m en,t m an u facturing technology o f forged steel co l d ro l,l and presents the quality de m and for a l u m i n u m r o lli n g w ork i n g ro ll and the applicati o n and deve l o p m ent ofm anufact u ring technology of for ged stee l cold ro l.l K ey w ords :for ged stee l cold ro l;l alu m i n um ro lling ;m ateria;l b lank quality ;heat treat m ent [收稿日期]2010-09-29[作者简介]张 青(1978-),江苏丹阳人,工程师,硕士,从事新材料开发与技术服务工作,现任技术中心副主任。
葛浩彬(1966-),江苏溧阳人,研究员级高级工程师,大学本科,从事新材料开发与市场开拓工作,现任宝钢集团常州轧辊制造公司副总经理。
冷轧锻钢轧辊作为轧机的重要工具和消耗件,伴随着冷、热轧技术的进步和轧制装备的不断更新换代而发展。
近年来,我国钢铁和有色金属冷轧业发展迅速,产量已经连续多年排名世界第一。
全球金融危机以后,在需求多样化的拉动下,冷轧产品向多品种、高强度、薄规格、宽板幅、高表面质量方向发展;为了更好地调控板形和板断面形状,适应各类材料的轧制,轧机的类型越来越多,机型也愈来愈复杂。
这些来自轧机和轧制产品的需求变化,促使我国的轧辊制造企业一直在密切关注和深入了解轧制行业的发展趋势和实际需求,不断开发新型冷轧辊制造和使用维护技术,为自身的发展和技术进步,不断调整和确定产品发展和服务方向。
铝冷轧工作辊作为冷轧辊的重要一支,其产品技术质量要求受到铝冷轧行业发展的重要影响。
与钢铁冷轧工作辊相比,铝冷轧工作辊有如下特点:(1)高的表面硬度;(2)淬硬层硬度下降慢;(3)硬度均匀性要求高;(4)近乎苛刻的机械加工精度;(5)高的耐磨性;(6)载荷相对较轻。
冷轧行业的发展离不开轧辊工业的支撑。
冷轧辊材质和制造技术的发展动力来自轧制现场对轧辊质量需求的扩展,更深、更耐磨、更均匀、更抗事故是轧机作业对轧辊质量要求持续的主题。
同样,对于轧铝工作辊,特别是铝箔工作辊而言,轧辊的表面质量、硬度和尺寸精度要求随着产品档次的提高变化已近似苛刻,辊身表面的冶金质量要求高。
1 冷轧辊材质的发展与应用轧辊材质的发展是冷轧辊技术发展的代表。
目前,国内常用冷轧辊材质有2%C r 、3%C r 、5%C r 和S H SS(半高速钢)等4个主要系列。
以前大体上冷轧辊材质的设计和制造工艺改进以钢铁行业为主要对象,首先考虑的是淬透性、抗事故性等问题,但随着钢铁冷轧行业的发展和细分,其在均匀性、高硬度及尺寸加工的高精度方面与铝冷轧辊的一些特征有了更多的相似性。
2%C r 材质目前在钢铁大型连轧机上已经淘42汰,主要是其耐磨性不够及淬硬层深度太浅,在小型轧机工作辊、中间辊和支撑辊上尚有应用;而在轧铝行业,以9C r2M o、9C r2M o V为代表的2%Cr材质仍有较广泛应用。
一个原因是其含碳量高,能够获得高硬度;另一个原因是合金含量相对于3%C r、5% C r较低,材料偏析容易控制,均匀性好。
但2%Cr 材料固有的淬硬层深度不够导致的硬度下降过快问题一直存在。
国内自2002年起,轧钢业冷轧投资高峰期间投产的单机架可逆轧机用辊以3%C r材质为主。
在轧铝行业,3%C r材质使用较2%C r少,主要应用于淬硬层深度为15~25mm的工作辊。
近些年国内主要冷轧辊制造商先后开发了3%C r的高硬度铝冷轧辊专用材质。
如宝钢常州轧辊公司开发了M C3C型轧铝工作辊,与常规轧辊材质相比,MC3C材料中调节了C、S i、M n的含量。
根据化学元素对轧辊材料性能的影响,C含量的增加有助于提高轧辊的强度、硬度和耐磨性能,提高基体硬度并保持一定数量的碳化物;Si主要固溶于基体中,不形成碳化物,除了提高钢的淬透性外,Si有利于提高基体强度和增加表1 当前常用冷轧辊材质比较材料成 分C C r N i碳化物类别淬硬层深(最大)耐磨性比较2%C r0 92M3C121 3%C r0 8630 2/0 5M3C为主301 2 5%C r0 8250/0 6M7C3为主502 3钢的回火稳定性;M n元素能够强烈提高淬透性。
同时,在冶炼控制及电渣重熔中控制杂质元素含量,保证合金元素的均匀性,使后续淬火得到均匀的轧辊基体组织,防止组织偏析。
在淬火热处理工艺上也作了相应改进,如调质工艺、淬火工艺的改进等,使得MC3C轧铝工作辊在具有高硬度的同时,具有深的淬硬层深度。
表2所示为MC3C型轧铝工作辊不同深度的硬度变化。
可以看出,在单边25mm 处,虽然肖氏硬度下降了4个单位,但洛氏硬度仅下降了1个单位;在单边19mm处,洛氏硬度基本不变,这是因为肖氏硬度受残余应力影响所致。
表2 M C3C轧辊不同深度处的硬度值距表面尺寸/mm35111925硬度HR C65 565 865 765 464 4硬度H S D101100999897国内5%C r材质在20世纪90年代中后期研发成功,5%Cr锻钢冷轧辊有效淬硬层深度已达到50 mm以上,与3%Cr材质的淬硬层深度相比,提高近一倍。
由于Cr/C比提高到了6倍左右,实现了碳化物从M3C型向M7C3的转变,碳化物的硬度从900 HV提高到1400HV,而碳化物平均尺寸从1 2 m 减小到0 7 m,因而具有良好的淬透性和耐磨性,同时具有较好的抗冲击性能和抗粘钢能力。
生产实际表明,5%C r材质是大型连轧机的理想轧辊用钢。
目前,国内宝钢、武钢、鞍钢、首钢等大型轧钢企业的冷轧机组均已以该材质轧辊为主要选择。
5%C r材质在轧铝行业应用很少,目前国内几乎没有应用。
但随着铝冷轧行业采用多机架连轧技术,5%Cr材质具有的优势将逐步显现。
宝钢常州轧辊制造公司出口到加拿大铝业(ALCAN)的大型轧铝工作辊使用的即为5%Cr材质,其规格为 800 mm 2700mm 4130mm(直径 辊身长度 总长),表面硬度100H SD左右,最小使用直径 740 mm,此时硬度要求大于94H SD,在双机架轧机上用来进行铝的光整冷轧。
因为此工作辊要求极高,故必须采用特殊热处理技术才能达到要求。
每次铝冷轧技术的改进,就有可能带来对轧辊要求的提高。
如为了提高轧机效率和生产的安全性,采用水性冷却介质,可以大大加快轧制速度,但对轧辊的抗应力腐蚀性能提出了新的要求。
所以从长远看,铝冷轧轧辊技术发展的关键动力来自于冷轧现场的技术拉动。
2 轧辊毛坯质量的控制目前锻钢冷轧辊主要有两种冶炼工艺,一种是走炉外精炼后不进行电渣重熔,另一种是进行电渣重熔。
对铝冷轧中精轧和箔轧机使用的工作辊一般须进行精炼+电渣重熔(ESR),充分去磷、脱硫和除气、除渣,使轧辊钢中夹杂质物的含量尽可能低,扩氢后的氢含量控制在2( 10-6)之内,硫、磷的含量小于0 03%。
采用ESR技术,使得轧辊材质的组织43有色设备 2011(1)偏析、纯净度有了很大改善,作为轧辊非常关键指标的整个工作层的组织均匀性亦有很大提高,从而保证了轧辊无论在新辊还是使用磨削后,均有较好的硬度均匀性,保证了深淬硬层轧辊的正常使用。
毛坯制造企业通常在电渣锭通过扩散退火后进行锻造。
辊坯锻比要>3,以消除网状碳化物、缩松、缩孔,改善心部组织与性能。
中心疏松<1 5级,锭型偏析<2级,碳化物的网状级别 2级,以防止网状碳化物导致轧制时疲劳性能的下降。
锻后进行球化退火,球化级别达2~3级。
对于轧铝工作辊毛坯而言,要严格控制热处理加热温度和炉膛温度,均匀性<5 ,在整个热处理加工过程中,轧辊不允许矫直,防止产生残余应力而导致轧辊精度变化。
3 轧辊热处理技术的应用与发展在轧辊预先热处理技术方面,国内企业大多采用球化退火、调质等,以确保轧辊机械性能,同时为后道热处理作组织准备。
但随着节约资源、节能降耗要求提高,已逐步在关注预先热处理的优化和简化工作。
目前轧辊制造企业对于轧铝工作辊大都进行调质处理,以保证力学性能,改善碳化物分布。
辊身淬火技术包括加热技术、冷却技术及相应的工艺工装和设备。
传统的辊身淬火采用整体加热淬火后水冷,但因整体加热会导致辊身内部很大的热容量,存在难以达到高硬度、心部残余应力较大等问题。
目前大部分冷轧辊制造企业已采用表面加热的方法进行铝轧辊热处理,但又有所差别。
如日本日立协和采用低周波(相当国内的低频率中频)多圈感应单频连续加热方法,德国斯坦霍夫采用火焰表面加热和感应加热两种方法,美国联合电炉钢公司采用整体表面加热(state heating)整体淬火方法。
国内的宝钢常州轧辊、邢台轧辊等大型企业采用双频连续加热淬火方法,在淬火温度的控制和质量稳定方面,较一般的单工频加热法优势明显。
表3 几种加热淬火技术的应用范围盐浴炉中频感应工频感应双频感应差温炉小工作辊合适合适大工作辊合适合适支承辊 合适合适合适森辊 合适 随着淬硬层深度要求的提高及报废硬度的不断提高,在淬火技术上,轧辊制造企业研究开发了新技术,包括计算机控制淬火、先进的测温控温技术、不断地工装改进等。